Propagation, visibilité d'un objet et réflexion de la lumière

I. Les sources de lumière

1. Sources ponctuelles et étendues

Il existe deux types de sources de lumière distinctes : les sources étendues et les sources ponctuelles.

$\textcolor{purple}{\text{a. Source ponctuelle}}$

• Définition :

  Une source est dite ponctuelle si celle-ci peut être assimilée à un point qui émet de la lumière.

• Exemple : une diode électroluminescente (D.E.L ou LED en anglais), un laser ou une lampe de projecteur sont des sources de lumière ponctuelles car celles-ci sont assimilées à un point qui émet de la lumière.

$\textcolor{purple}{\text{b. Source étendue}}$

• Définition :

  Une source est dite étendue si celle-ci est de très grande dimension.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Le Soleil est une source de lumière étendue car ses dimensions sont très grandes ;

  $\circ\quad$ La Lune ne produit pas de la lumière mais elle diffuse celle reçue du Soleil dans toutes les directions qui lui sont offertes. De par sa taille, elle est aussi assimilée à une source de lumière étendue.

2. Sources primaires et secondaires

$\textcolor{purple}{\text{a. Source primaire (ou objet lumineux)}}$

• Définition :

  Les objets produisant eux-mêmes de la lumière qu'ils émettent sont des sources primaires de lumière.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Le Soleil est une source de lumière primaire et naturelle car il produit lui-même sa lumière et envoie ses rayons lumineux ;

  $\circ\quad$ Une diode électroluminescente (D.E.L), un laser ou une lampe de projecteur sont également des sources de lumière primaires mais artificielles.

• Remarque : pour une source primaire, il est également possible de parler d'objet lumineux.

$\textcolor{purple}{\text{a. Source secondaire (ou objet diffusant)}}$

• Définition :

  La plupart des objets diffusent une partie de la lumière qu'ils reçoivent (absorbant l'autre partie) et la renvoient dans toutes les directions qui lui sont offertes : ce sont des sources secondaires de lumière.

• Exemple : la Lune est une source de lumière secondaire car elle ne produit pas de lumière ; elle diffuse celle reçue du Soleil dans toutes les directions qui lui sont offertes.

• Remarque : pour une source secondaire, il est également possible de parler d'objet diffusant.

II. Modèle du rayon lumineux et propagation de la lumière

1. Milieu de propagation de la lumière

• La lumière n'est pas visible directement, mais peut être visualisée à l'aide de fines particules telles que les poussières, les fumées ou les gouttelettes d'eau qui la diffusent vers nos yeux :

  

• Définition :

  Un milieu est dit homogène s'il a les mêmes propriétés en tous ses points.

• Remarques :

  $\circ\quad$ Un milieu est dit transparent si la lumière issue de l'objet peut le traverser avant de parvenir à nos yeux. C'est le cas du vide ou de l'air.

  $\circ\quad$ Un milieu est dit opaque s'il ne laisse pas la lumière le traverser.

  $\circ\quad$ Enfin, un milieu est dit translucide s'il absorbe une partie de la lumière et diffuse le reste ;

  $\circ\quad$ La vitesse de propagation de la lumière dans le vide vaut :

  $\boxed{c = 299\,792\,458 ~ m.s^{-1}}$

  (arrondie $c = 3,00 \times 10^8 ~ m.s^{-1}$)

  $\circ\quad$ Elle est approximativement du même ordre de grandeur dans l'air. En revanche, elle est plus faible dans les autres milieux transparents.

2. Rayon lumineux et propagation de la lumière

$\textcolor{purple}{\text{a. Introduction}}$

• Tout le monde a déjà observé des raies de lumière le matin à travers les volets. Ces raies sont parallèles et rectilignes d'où la conclusion que la lumière se propage en ligne droite en milieu homogène et transparent.

• L'ensemble des rayons lumineux forme un faisceau lumineux.

• Le rayon lumineux est la droite suivant laquelle la lumière se propage. C'est une représentation schématique qui nous explique le phénomène physique que constitue la propagation de la lumière.

$\textcolor{purple}{\text{b. Principe de propagation rectiligne}}$

• Dans un milieu transparent et homogène, la lumière provenant d'une source ponctuelle se propage en ligne droite.

• Le rayon lumineux est le trajet suivi par la lumière depuis un point d'un objet lumineux.

$\textcolor{purple}{\text{c. Représentation}}$

• Même si une source ne peut être réellement ponctuelle, on représente la source par un point, on utilise la notion de rayons lumineux pour représenter le faisceau et on trace les rayons extrêmes de ce faisceau issus de la source ponctuelle.

• Schéma de la représentation d'un rayon et d'un faisceau lumineux issus d'une source ponctuelle :

• Limite de ce principe : si on diminue l'ouverture du diaphragme limitant un pinceau lumineux à moins de 1/10^e de millimètre, les rayons lumineux sont diffractés. Le trou du diaphragme joue alors le rôle de source lumineuse. Ce phénomène sera détaillé en terminale.

II. Formation d'une image par réflexion et lois de Descartes

1. Réflexion de la lumière

• Définition :

  Un faisceau lumineux arrivant sur un obstacle ayant une surface polie est renvoyé dans une direction privilégiée : on dit qu'il est réfléchi (ou qu'il subit une réflexion).

2. Lois de la réflexion (dite de Snell-Descartes)

• On appelle plan d'incidence le plan défini par la normale à la surface réfléchissante et le rayon incident.

• Lois de la réflexion (dites de Snell-Descartes) :

  $\circ\quad$ 1^re loi : le rayon réfléchi appartient au plan d'incidence ;

  $\circ\quad$ 2^e loi : l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence ($i = i'$).

• Principe du retour inverse de la lumière : dans tout système optique, le chemin suivi par la lumière est indépendant du sens de sa propagation.

3. Le miroir plan

$\textcolor{purple}{\text{a. Notion}}$

• Définition :

  Un miroir plan est une surface plane, qui réfléchit quasi-totalement la lumière reçue.

• Les miroirs utilisés couramment sont des lames de verre dont la face postérieure est argentée (on parle de tain).

$\textcolor{purple}{\text{b. Image donnée par un miroir plan}}$

• $A'$ est le symétrique orthogonal de $A$ par rapport au miroir. Le miroir donne donc une image symétrique de l'objet par rapport au plan réfléchissant.

• L'image $A'B'$ a les mêmes dimensions que l'objet $AB$ ($A'B' = AB$).

• Propriété :

  Un miroir plan donne d'un objet une image symétrique de l'objet par rapport au miroir, de même grandeur que l'objet.

$\textcolor{purple}{\text{c. Champ d'un miroir plan}}$

• Le champ d'un miroir est la portion d'espace qu'un œil, placé dans une position déterminée, peut voir par réflexion.

• La portion d'espace est située à l'intérieur du volume délimité par les demi-droites issues de $O'$, image de $O$ dans le miroir, qui s'appuient sur le contour de celui-ci.

• Il dépend de la forme et des dimensions du miroir et de la position de l'œil par rapport à lui (lorsque l'œil se rapproche du miroir, le champ s'élargit).

_{= Merci à shadowmiko pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}